ULCOS: Revolucionando a Produção de Aço com Emissões Ultra-Baixas de CO₂

Siderurgia com Ultra-Baixo CO₂ – ULCOS

A mudança climática foi identificada pela indústria siderúrgica mundial como um grande desafio ambiental há mais de duas décadas e meia. Muito antes das descobertas do Painel Intergovernamental sobre Mudança Climática (IPCC) em 2007, grandes produtores de aço reconheceram que soluções de longo prazo eram necessárias para enfrentar as emissões de dióxido de carbono (CO₂) produzidas durante a produção de aço.

Como resultado, a indústria siderúrgica tem sido altamente proativa na melhoria do consumo de energia e redução de emissões de gases de efeito estufa (GEE).

O gás de efeito estufa de maior relevância para a indústria siderúrgica mundial é o dióxido de carbono (CO₂). Segundo a World Steel Association (WSA), em média, 1,8 toneladas de CO₂ são emitidas para cada tonelada de aço produzida. Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA), em 2010 a indústria de ferro e aço representou aproximadamente 6,7% das emissões totais mundiais de CO₂.

Limitações das Tecnologias Atuais

As emissões de CO₂ por tonelada de aço bruto produzido estão agora cerca de 50% menores, resultando em redução dramática no impacto climático do setor siderúrgico. As melhores usinas agora operam próximas aos limites termodinâmicos definidos pelas atuais tecnologias de produção de aço. Isso significa que os produtores são limitados em quanto podem melhorar ainda mais sua eficiência energética. Com a maioria das grandes economias de energia já alcançadas, reduções adicionais grandes nas emissões de CO₂ não são possíveis usando tecnologias atuais.

Diminuir ainda mais as emissões de GEE significou introdução de tecnologias de ruptura (breakthrough). A redução das emissões de CO₂ ao nível que políticas pós-Kyoto exigiram "pensamento fora da caixa", pois levantou desafios específicos. Processos simples não estavam disponíveis prontos para uso para atingir esse objetivo. Mudanças profundas de paradigma na forma como o aço é produzido tiveram que ser imaginadas e as correspondentes tecnologias de ruptura projetadas e desenvolvidas. O tipo de reduções exigidas por governos e organismos internacionais requer invenção e implementação de novas tecnologias de produção radicais.

O Programa ULCOS

Este é o pano de fundo para a criação do programa ULCOS (Ultra-Low CO₂ Steelmaking), uma iniciativa cooperativa europeia de pesquisa e desenvolvimento lançada em 2004 como consequência do Protocolo de Kyoto. O ULCOS busca maneiras de trazer reduções drásticas adicionais nas emissões de CO₂ da produção de aço. O objetivo-chave do programa é buscar rotas de processo inovadoras que poderiam, no futuro, quando totalmente desenvolvidas, demonstrar potencial de grandes cortes nas emissões de CO₂ para produção de aço a partir de minério de ferro. O programa visa reduzir emissões de CO₂ em comparação às tecnologias atuais de produção em um mínimo de 50%. Alcançar tal meta ambiciosa requer o tipo de mudança de paradigma na produção de aço que mudará a forma como as usinas operam atualmente no mundo. O ULCOS faz parte de um programa mundial da indústria siderúrgica projetado para identificar tecnologias de aciaria com potencial de redução substancial de CO₂. Sob este programa, tentativas são feitas para encontrar uma resposta para produzir aço da forma mais sustentável.

Os membros do programa ULCOS são um consórcio de 48 empresas e organizações europeias de 15 países, incluindo todas as grandes empresas siderúrgicas da União Europeia (UE), parceiros de energia e engenharia, institutos de pesquisa e universidades. Também é apoiado pela Comissão Europeia. O ULCOS é um programa europeu, mas é o maior empreendimento na indústria siderúrgica mundial que busca proativamente soluções para a ameaça do aquecimento global. A expertise do consórcio varia da siderurgia à produção de biomassa e armazenamento geológico de CO₂, incluindo engenharia de processo, economia de energia e estudos de prospectiva em mudança climática.

Hoje, o ULCOS é a maior iniciativa dentro da indústria siderúrgica mundial proativamente buscando soluções para a ameaça do aquecimento global. Os parceiros do ULCOS financiam 60% do orçamento de EUR 75 milhões. A Comissão Europeia contribui com os 40% restantes através de seus programas RTD (pesquisa e desenvolvimento tecnológico) e RFCS (Research Fund Coal Steel). Ambos são criados para promover pesquisa industrial e desenvolvimento tecnológico na Europa.

Caminhos Tecnológicos

A tecnologia atual de produção de aço baseia-se no carvão (maioria carbono), gás natural (mistura de carbono e hidrogênio) e fornos a arco elétrico baseados em sucata. Para identificar rotas de processo com baixo CO₂, três grandes caminhos de solução são: (i) afastamento do carvão, chamado descarbonização, onde carbono seria substituído por hidrogênio ou eletricidade, em processos como redução por hidrogênio ou eletrólise de minério de ferro; (ii) introdução de CCS (captura e armazenamento de carbono) e tecnologias de carbonatação mineral; e (iii) uso de biomassa sustentável.

O ULCOS é um grande programa cuidadosamente estruturado para enfrentar desafios complexos de longo prazo que a indústria siderúrgica enfrenta, junto com a sociedade como um todo. O programa tem quatro etapas: (i) construção de conceitos de processo, (ii) demonstração em larga escala, (iii) experimentação em larga escala de uma primeira planta comercial, (iv) implantação da tecnologia na Europa e no mundo. O ULCOS, que era uma iniciativa de pesquisa, transformou-se atualmente em iniciativa de demonstração.

Considerável pesquisa foi realizada no programa ULCOS desde seu início em 2004. Um estudo inicial de viabilidade durando quatro a cinco anos investigou mais de 80 tecnologias/rotas de conceitos na fase inicial, usando modelagem e abordagens de laboratório para avaliar seu potencial em termos de emissões de CO₂, consumo de energia, custo operacional de produção de aço e sustentabilidade. Vários conceitos foram investigados em paralelo. Entre todos, as seguintes amplas famílias de rotas de processo foram selecionadas no programa ULCOS para investigação adicional e eventual escala para tamanho onde implementação comercial pode assumir:

• Uma variante de alto-forno (AF) onde o gás de topo do AF passa por captura de CO₂ e o gás redutor remanescente é reinjetado na base do reator, que também é operado com oxigênio puro em vez de ar quente (ar). Esse processo foi chamado de alto-forno com reciclagem de gás de topo (TGR-BF). A corrente de gás rica em CO₂ é enviada para armazenamento (tecnologia CCS).
• Um processo de redução de fusão chamado processo HIsarna. Baseia-se na combinação de um ciclone quente e um fusor de banho e incorpora algumas características tecnológicas do processo HIsmelt. Também usa oxigênio puro e gera gás de exaustão quase pronto para armazenamento (tecnologia CCS).
• Um processo de redução direta (RD) chamado ULCORED. Produz DRI (ferro reduzido diretamente) em forno de eixo, a partir de gás natural ou gás de gaseificação de carvão. Gás de exaustão do eixo é reciclado ao processo após captura de CO₂, que deixa a planta de RD em corrente concentrada e vai para armazenamento (tecnologia CCS).
• Duas variantes de processo de eletrólise chamadas ULCOWIN e ULCOLYSIS. ULCOWIN opera ligeiramente acima de 100 °C em solução alcalina aquosa populada por pequenos grãos de minério (processo de eletro-ganho). ULCOLYSIS opera a temperatura de aciaria com eletrólito de sal fundido feito de escória (piro-eletrólise).
• Duas opções adicionais: uso de hidrogênio para redução direta, quando e se disponível sem pegada de carbono; uso de biomassa sustentável, primeira incorporação sendo carvão vegetal de plantações sustentáveis de eucalipto em países tropicais.

O uso de CCS e carbonatação mineral dentro das novas tecnologias ULCOS também foi avaliado. CCS foi identificado desde o início como solução poderosa. Sobre carbonatação mineral, identificou-se que só pode resultar em reduções moderadas, embora importantes, das emissões globais.

Processos sob exame e desenvolvimento no programa ULCOS são mostrados na Fig. 1.

Fig. 1 Processos sob exame e desenvolvimento no programa ULCOS

Conceitos Selecionados para Demonstração

O ULCOS selecionou agora quatro conceitos de processo – que foram experimentalmente testados – que poderiam levar a redução de emissões de CO₂ em mais de metade comparado às melhores práticas atuais. Esses conceitos estão sendo implementados em usinas siderúrgicas funcionais na segunda fase do projeto ULCOS. Os resultados da fase 2 podem potencialmente ser implementados em plantas de produção daqui a 15 a 20 anos. Os conceitos selecionados são: (i) reengenharia do alto-forno para incorporar CCS no núcleo do processo, (ii) redução de fusão com capacidades de CCS, (iii) uso massivo de gás natural com tecnologias mais lean em CO₂ que hoje, (iv) siderurgia a hidrogênio e eletrólise de minério de ferro.

O TGR-BF aparece como a solução mais promissora no curto prazo, pois os AFs existentes podem ser adaptados à nova tecnologia. Isso mantém os extensos investimentos de capital necessários para mudar para tecnologias de ruptura sob certo controle. Além, o próprio princípio do processo proporciona economia de energia porque a captura de CO₂ e reciclagem do gás purificado desloca equilíbrios químicos de alta temperatura (reação de Boudouard) e usa coque e carvão com maior eficiência dentro do AF que é possível com operação convencional. Isso equilibra, até certo ponto, os custos extras incorridos pela captura e armazenamento. O conceito propriamente aplicado no TGR-BF é o de captura de CO₂ em processo, com operação a oxigênio. A parte de oxigênio é similar a operação oxi-combustível mas não idêntica. A parte de reciclagem é original e é a razão principal pela qual algumas economias de energia e correspondente corte em custo operacional são ganhos. Esse conceito foi testado em alto-forno de laboratório em grande escala em Luleå, Suécia, com resultado positivo.

Onde há disponibilidade de gás natural, a rota ULCORED é opção atraente. O conceito aplicado ao processo ULCORED é similar ao do TGR-BF e também inclui uso de oxigênio puro e reciclagem em processo do gás de topo do eixo, além de outras características como série de reatores de shift no loop de reciclagem. Para validação deste conceito, um piloto de uma tonelada/hora está planejado para ser erguido em Luleå nos próximos anos pela LKAB, parceira do ULCOS.

O processo HIsarna em desenvolvimento tornar-se-á opção disponível nos próximos anos provavelmente para usinas greenfield. O processo HIsarna é ligeiramente diferente do TGR-BF e ULCORED pois não envolve loop de reciclagem do gás. O gás do fusor é oxidado no nível do ciclone, onde alguma redução é realizada junto com combustão para pré-aquecer e fundir o minério. Há fluxo contracorrente do gás contra a corrente de ferro, no qual sua energia química é totalmente exaurida. Um piloto de 8 ton/h foi erguido e testado no programa ULCOS. Iniciado em abril de 2011. Na primeira campanha, operou de 18/04 a 11/06/2011. Houve quatro partidas. A primeira não foi bem-sucedida. As outras três foram bem-sucedidas. Taxa de injeção atingida foi 60% da capacidade. Dados disponíveis mostraram que o processo operou como esperado, mas mais horas de operação são necessárias para confirmar. O número de horas de operação foi abaixo da expectativa. A segunda campanha iniciou em 16/10/2012 e continuou até fim de novembro de 2012.

Os processos de eletrólise foram desenvolvidos do zero dentro do programa ULCOS e, portanto, ainda operam em escala de laboratório. Embora prometam emissões zero, se tiverem acesso a eletricidade verde, tempo é necessário para escalá-los a tamanho comercial (10 a 20 anos). Processo ULCOWIN consiste em eletrólise alcalina de minério de ferro. Eletrólise é comumente usada para produzir metais além de aço e requer grandes quantidades de eletricidade. O processo dependeria de fonte de eletricidade lean em CO₂ como hidrelétrica ou nuclear. ULCOLYSIS é eletrólise de óxido fundido. Funciona passando corrente elétrica através de escória fundida alimentada com óxido de ferro. O óxido de ferro se decompõe em ferro líquido e gás oxigênio. Nenhum CO₂ é produzido. Emissões de processo são ainda mais reduzidas com fonte de eletricidade lean em CO₂.

Na siderurgia a hidrogênio, o ferro é reduzido do minério a altas temperaturas (acima de 1.300 °C) e com tempos de reação muito curtos. Nenhum CO₂ é emitido, mas produzir hidrogênio requer grandes quantidades de eletricidade lean em CO₂. Esse processo também pode operar com combustíveis de baixo CO₂ como gás natural.

A siderurgia a hidrogênio depende fortemente da disponibilidade de hidrogênio verde, enquanto o uso de carvão vegetal, longe dos países produtores, exigiria configuração de logística complexa, incluindo infraestrutura pesada através de vários continentes.

O ULCOS é uma iniciativa de longo prazo da indústria siderúrgica. Está cheio de promessas, mas também de riscos e armadilhas, situação provavelmente similar ao que outros setores experienciam. Riscos relacionam-se à complexidade do tema, que exige desenvolvimento e implementação de tecnologias de ruptura sob restrições de tempo muito curtas. Paciência, apoio, sinceridade e determinação contínua são necessários para que este programa se torne uma iniciativa bem-sucedida da indústria siderúrgica e atinja a maioria dos objetivos almejados.